複合材料實習小記
主要包括：概念；分類；效能；成型方法；應用；發展
1.概念：
複合材料(***posite materials)，是以一種材料為基體(matrix)，另一種材料為增強體(reinforcement)組合而成的材料。各種材料在效能上互相取長補短，產生協同效應，使複合材料的綜合性能優於原組成材料而滿足各種不同的要求。複合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。
金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化矽纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。
複合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20世紀40年代，因航空工業的需要，發展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現了複合材料這一名稱。
50年代以後，陸續發展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現了芳綸纖維和碳化矽纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的複合材料。
2.分類：
複合材料是一種混合物。複合材料按其組成分為金屬與金屬複合材料、非金屬與金屬複合材料、非金屬與非金屬複合材料。按其結構特點又分為：
①纖維複合材料。將各種纖維增強體置於基體材料內復合而成。如纖維增強塑料、纖維增強金屬等。
②夾層複合材料。由性質不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強度高、薄；芯材質輕、強度低，但具有一定剛度和厚度。
分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。③細粒複合材料。將硬質細粒均勻分布於基體中，如瀰散強化合金、金屬陶瓷等。
④混雜複合材料。由兩種或兩種以上增強相材料混雜於一種基體相材料中構成。與普通單增強相複合材料比，其衝擊強度、疲勞強度和斷裂韌性顯著提高，並具有特殊的熱膨脹效能。
分為層內混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內／層間混雜和超混雜複合材料。
60年代，為滿足航空航天等尖端技術所用材料的需要，先後研製和生產了以高效能纖維（如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化矽纖維等）為增強材料的複合材料，其比強度大於4×106厘公尺（cm），比模量大於4×108cm。為了與第一代玻璃纖維增強樹脂複合材料相區別，將這種複合材料稱為先進複合材料。按基體材料不同，先進複合材料分為樹脂基、金屬基和陶瓷基複合材料。
其使用溫度分別達250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。先進複合材料除作為結構材料外，還可用作功能材料，如梯度複合材料(材料的化學和結晶學組成、結構、空隙等在空間連續梯變的功能複合材料)、機敏複合材料（具有感覺、處理和執行功能，能適應環境變化的功能複合材料）、仿生複合材料、隱身複合材料等。
3.效能：
複合材料中以纖維增強材料應用最廣、用量最大。其特點是比重小、比強度和比模量大。例如碳纖維與環氧樹脂復合的材料，其比強度和比模量均比鋼和鋁合金大數倍，還具有優良的化學穩定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等效能。
石墨纖維與樹脂復合可得到膨脹係數幾乎等於零的材料。纖維增強材料的另乙個特點是各向異性，因此可按製件不同部位的強度要求設計纖維的排列。以碳纖維和碳化矽纖維增強的鋁基複合材料，在500℃時仍能保持足夠的強度和模量。
碳化矽纖維與鈦復合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨損，可用作發動機風扇葉片。碳化矽纖維與陶瓷復合，使用溫度可達1500℃，比超合金渦輪葉片的使用溫度（1100℃）高得多。碳纖維增強碳、石墨纖維增強碳或石墨纖維增強石墨，構成耐燒蝕材料，已用於太空飛行器、火箭飛彈和原子能反應堆中。
非金屬基複合材料由於密度小，用於汽車和飛機可減輕重量、提高速度、節約能源。用碳纖維和玻璃纖維混合製成的複合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大5倍多的鋼片彈簧相當。
4.成型方法：（實習期間，主要了解了手糊成形的操作、裝置及優缺點）
複合材料的成型方法按基體材料不同各異。主要介紹樹脂基複合材料的成型方法：有手糊成型（定義：
在塗好脫模劑的模具上，用手工鋪放增強材料並塗刷樹脂膠液，直到所需厚度為止，然後進行固化的一種成型方法）
優點是成型不受產品尺寸和形狀限制，適宜尺寸大、批量小、形狀複雜的產品的生產。裝置簡單、投資少、見效快。適宜我國鄉鎮企業的發展。
且工藝簡單、生產技術易掌握，只需經過短期培訓即可進行生產。易於滿足產品設計需要，可在產品不同部位任意增補增強材料；製品的樹脂含量高，耐腐蝕性能好。缺點是生產效率低、速度慢、生產周期長、不宜大批量生產。
且產品質量不易控制，效能穩定性不高。產品力學效能較低。生產環境差、氣味大、加工時粉塵多，易對施工人員造成傷害。
還有：噴射成型、纖維纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、rtm成型、熱壓罐成型、隔膜成型、遷移成複合材料電纜支架型、反應注射成型、軟膜膨脹成型、沖壓成型等。
5.應用：
複合材料的主要應用領域有：①航空航天領域。由於複合材料熱穩定性好，比強度、比剛度高，可用於製造飛機機翼和前機身、衛星天線及其支撐結構、太陽能電池翼和外殼、大型運載火箭的殼體、發動機殼體、太空梭結構件等。
②****。由於複合材料具有特殊的振動阻尼特性，可減振和降低雜訊、抗疲勞效能好，損傷後易修理，便於整體成形，故可用於製造汽車車身、受力構件、傳動軸、發動機架及其內部構件。③化工、紡織和機械製造領域。
有良好耐蝕性的碳纖維與樹脂基體復合而成的材料，可用於製造化工裝置、紡織機、造紙機、影印機、高速工具機、精密儀器等。④醫學領域。碳纖維複合材料具有優異的力學效能和不吸收x射線特性，可用於製造醫用x光機和矯形支架等。
碳纖維複合材料還具有生物組織相容性和血液相容性，生物環境下穩定性好，也用作生物醫學材料。此外，複合材料還用於製造體育運動器件和用作建築材料等。
6.複合材料的發展：
複合材料電纜支架複合材料是指由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的材料，它可以發揮各種材料的優點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用範圍。由於複合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用於航空航天、汽車、電子電氣、建築、健身器材等領域，在近幾年更是得到了飛速發展。
隨著科技的發展，樹脂與玻璃纖維在技術上不斷進步，生產廠家的製造能力普遍提高，使得玻纖增強複合材料的**成本已被許多行業接受，但玻纖增強複合材料的強度尚不足以和金屬匹敵。因此，碳纖維、硼纖維等增強複合材料相繼問世，使高分子複合材料家族更加完備，已經成為眾多產業的必備材料。
7.樹脂基複合材料的增強材料：（下面主要介紹我們參觀時所了解到的玻璃纖維以及碳纖維）
樹脂基複合材料採用的增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。
1、玻璃纖維
目前用於高效能複合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高矽氧玻璃纖維等。由於高強度玻璃纖維價效比較高，因此增長率也比較快，年增長率達到10%以上。高強度玻璃纖維複合材料不僅應用在軍用方面，近年來民用產品也有廣泛應用，如防彈頭盔、防彈服、直公升飛機機翼、預警機雷達罩、各種高壓壓力容器、民用飛機直板、體育用品、各類耐高溫製品以及近期報道的效能優異的輪胎簾子線等。
石英玻璃纖維及高矽氧玻璃纖維屬於耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強酚醛樹脂可製成各種結構的耐高溫、耐燒蝕的複合材料部件，大量應用於火箭、飛彈的防熱材料。迄今為止，我國已經實用化的高效能樹脂基複合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強度玻璃纖維三大增強纖維中，只有高強度玻璃纖維已達到國際先進水平，且擁有自主智財權，形成了小規模的產業，現階段年產可達500噸。
2、碳纖維
碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導電等一系列效能，首先在航空航天領域得到廣泛應用，近年來在運動器具和體育用品方面也廣泛採用。據**，土木建築、交通運輸、汽車、能源等領域將會大規模採用工業級碳纖維。1997~2023年間，宇航用碳纖維的年增長率估計為31%，而工業用碳纖維的年增長率估計會達到130%。
我國的碳纖維總體水平還比較低，相當於國外七十年代中、末期水平，與國外差距達20年左右。國產碳纖維的主要問題是效能不太穩定且離散係數大、無高效能碳纖維、品種單
一、規格不全、連續長度不夠、未經表面處理、**偏高等。
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